JP2551369B2 - ＨｇＣｄＴｅ結晶薄膜の膜厚測定方法および組成分析方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、赤外線検出器等に用い
られるＨｇＣｄＴｅ結晶薄膜の膜厚測定方法および組成
分析方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】非破壊でＨｇＣｄＴｅ結晶薄膜（以下単
にＨｇＣｄＴｅ膜と記す）の膜厚測定方法および組成分
析方法として、赤外透過スペクトルから求める方法が非
常に良く用いられる［アプライド・フィジックス・レタ
ーズ（Ａｐｐｌｉｅｄ・Ｐｈｙｓｉｃｓ・Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ５２（１９８８）２１５１頁）］。この赤外透過法
は、まず膜厚ｄ_MCT を赤外透過スペクトルのフリンジの
周期△κを用いてｄ_MCT ＝１／（２ｎ_MCT △κ）より求
める。次に吸収係数αが５００ｃｍ^-1とした時、最大透
過率にｅｘｐ（−αｄ_MCT ）をかけた値に等しい透過率
の波長を求める。この波長のエネルギーはＨｇＣｄＴｅ
結晶のバンドギャップに等しいことが実験的にわかって
いる。したがって、ここで得られたバンドギャップの値
から、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス
（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉ
ｃｓ５３（１９８２）７０９９頁に報告されている組成
との関係式を用いてＨｇ_1-x Ｃｄ_x Ｔｅ膜の組成ｘを求
めるものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】赤外透過法では、基板
を取り除いたＨｇＣｄＴｅ膜のみを測定するか赤外光に
対して透明な基板を用いたときでないと測定できない。
また、基板が赤外光に対して透明であっても、その面が
鏡面研磨されていないと、赤外光の散乱によりスペクト
ルが変わる。しかし、現在ではＣｄＴｅ基板以外にもＳ
ｉ、ＧａＡｓ、サファイヤ等の様々な基板の上にＨｇＣ
ｄＴｅ膜が成長されており、赤外光を透過しない基板や
裏面が粗面の基板を用いることも多い。その場合は従来
の赤外透過法による組成分析を行うことはできない。そ
れに対して赤外反射スペクトルは基板の影響は少なく、
原理的には赤外透過法と同様に組成分析を行うことがで
きるはずである。しかし、ＣｄＴｅ等のバッファー層を
介したＨｇＣｄＴｅ膜成長というのは非常に良く行われ
ているが、この場合の赤外反射スペクトルは図１に示し
たように非常に複雑で、現在までのこの赤外反射スペク
トルから組成を求める方法に関する報告例は皆無であ
る。

【０００４】本発明はこのような従来の事情に鑑みてな
されたもので、バッファー層を介したＨｇＣｄＴｅ膜の
膜厚と組成を基板の種類に関係なく非破壊で測定するこ
とのできるＨｇＣｄＴｅ結晶薄膜の膜厚測定方法および
組成分析法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】第１の発明によるＨｇＣ
ｄＴｅ結晶薄膜の膜厚測定方法は、基板上にバッファー
層を介して成長したＨｇＣｄＴｅ（ＭＣＴ）結晶薄膜の
赤外反射スペクトルによる膜厚測定方法において、Ｈｇ
ＣｄＴｅ結晶薄膜の吸収係数が０とみなせる波数範囲で
の最大の振幅が得られる波数κ ₁ 、最大振幅付近でのフ
リンジの周期△κ_MCT 、極小振幅の間隔△κ_B とを求
め、バッファー層とＨｇＣｄＴｅ結晶薄膜の波数κ ₁ に
おける屈折率ｎ _B ，ｎ _MCT を用いて、バッファー層の膜
厚ｄ_B とＨｇＣｄＴｅ結晶薄膜の膜厚ｄ_MCT を次の二
式、 ｄ_B ＝１／（２ｎ_B △κ_B ） ｄ_MCT ＝（１−ｎ_B ｄ_B △κ_MCT ）／（２ｎ_MCT △κ_MCT ） より求めることを特徴とするものである。

【０００６】また、第２の発明のＨｇＣｄＴｅ結晶薄膜
の組成分析方法は、基板上にバッファ層を介して成長し
たＨｇＣｄＴｅ結晶薄膜の膜厚ｄ _MCT を赤外反射スペク
トル法により求めた後、波数κ ₁ における最大の振幅Ａ
と、ＨｇＣｄＴｅ結晶薄膜の吸収係数がある値を持つ波
数範囲での極大の振幅Ｂとそこでの波数κ ₂ を求め、振
幅Ｂと振幅Ａの比Ｒａ（＝Ｂ／Ａ）を求めるための次
式、 Ｒａ＝Ｒ₁₂Ｒ₂₂Ｒ₃ｅｘｐ（−αｄ_MCT ）／［(１−
ｒ₂₂)(１−ｒ₃₂)Ｒ₄₂Ｒ₅₂ ］ ただし、 Ｒ₁ ＝１−ｒ₁ｒ₂＋ｒ₂ｒ₃−ｒ₃ｒ₁ Ｒ₂ ＝１＋ｒ₁ｒ₂＋ｒ₂ｒ₃＋ｒ₃ｒ₁ Ｒ₃ ＝（１−ｒ₂₂）（１−ｒ₃ ²）＋［１−ｅｘｐ（−
２αｄ_MCT ）］（ｒ₂＋ｒ₃）² Ｒ₄ ＝１−ｒ₁ｒ₂ｅｘｐ（−αｄ_MCT ）＋ｒ₂ｒ₃−ｒ₃
ｒ₁ｅｘｐ（−αｄ_MCT ） Ｒ₅ ＝１＋ｒ₁ｒ₂ｅｘｐ（−αｄ_MCT ）＋ｒ₂ｒ₃＋ｒ₃
ｒ₁ｅｘｐ（−αｄ_MCT ） ｒ₁ ：空気とＨｇＣｄＴｅ結晶界面での反射におけるフ
レネルの複素反射係数 ｒ₂ ：ＨｇＣｄＴｅの結晶とバッファー層界面での反射
におけるフレネルの複素反射係数 ｒ₃ ：バッファー層と基板界面での反射におけるフレネ
ルの複素反射係数 を用いてＨｇＣｄＴｅ結晶薄膜の吸収係数αを求め、次
でこのαとＨｇ_1-X Ｃｄ_X Ｔｅのｘとの関係線より組成
ｘを求めることを特徴とするものである。

【０００７】

【作用】このような手段を備えた本発明の方法では、ま
ず赤外反射スペクトルより図１に示したパラメータを測
定する。測定する値は、最大振幅での振幅Ａとそこでの
波数κ₁ 、二番目の極大振幅での振幅Ｂとそこでの波数
κ₂ 、最大振幅付近でのフリンジの周期△κ_MCT 、極小
振幅の間隔△κ_b である。Ａとκ₁ 、△κ_MCT 、△κ_b
はＨｇＣｄＴｅ膜の吸収係数αがほぼ０とみなせる長波
長側で測定する。なお、図１は横軸は波数κ、縦軸は反
射率Ｒとして描かれている。

【０００８】次に図２に示した薄膜構造における反射率
を計算する。この薄膜は、ＨｇＣｄＴｅ膜１、バッファ
ー層２、および基板３からなる。さらにＨｇＣｄＴｅ膜
表面は空気４と接している。それぞれの層の複素屈折率
をＮ_sub 、Ｎ_b 、Ｎ_MCT 、Ｎ_Air とする。これらの屈折
率は複素数で波数κの関数である。また、それぞれの界
面での反射係数（フレネルの複素反射係数）を、空気と
ＨｇＣｄＴｅ膜界面での反射ではｒ₁ 、ＨｇＣｄＴｅ膜
とバッファー層界面での反射ではｒ₂ 、バッファー層と
基板との界面での反射ではｒ₃ と定める。反射係数はそ
の界面を形成する二種類の物質の屈折率より計算するこ
とができ、例えばＨｇＣｄＴｅ膜とバッファー層界面で
の反射係数ｒ₂ は次式で表される。 ｒ₂ ＝（Ｎ_b −Ｎ_MCT ）／（Ｎ_b ＋Ｎ_MCT ） ここで、ＨｇＣｄＴｅ膜内での位相遅れ△₁ 、およびバ
ッファー層内での位相遅れ△₂ は、それぞれ△₁ ＝４π
κＮ_MCT ｄ_MCT 、△₂ ＝４πκＮ_b ｄ_b と表される。Ｈ
ｇＣｄＴｅ膜表面に向かって垂直に入射された光に対し
て、全体の反射係数ｒは式（１）のようになる。 ｒ＝［ｒ₁ ＋ｒ₂ ｅｘｐ（−ｉ△₁ ）＋ｒ₃ ｅｘｐ｛−ｉ（△₁ ＋△₂ ）｝＋ｒ₁ ｒ₂ ｒ₃ ｅｘｐ（−ｉ△₂ ）］／［１＋ｒ₁ ｒ₂ ｅｘｐ（−ｉ△₁ ）＋ｒ₂ ｒ₃ ｅｘｐ（−ｉ△₂ ）＋ｒ₃ ｒ₁ ｅｘｐ｛−ｉ（△₁ ＋△₂ ）｝］………（１） ただし、ｉは虚数である。

【０００９】赤外反射スペクトルに現れる反射率Ｒはこ
の反射係数ｒにその複素共約をかけたものである。この
計算は非常に複雑であるが、反射係数の虚数項すなわち
位相変化項のみを無視すれば次のように近似できる。ま
ず、ＨｇＣｄＴｅ膜の吸収係数をα、バッファー層の吸
収係数を０としたとき、ＨｇＣｄＴｅ膜とバッファー層
の複素屈折率の実数項ｎ_MCT 、ｎ_b を用いると、反射率
Ｒは式（２）のように表すことができる。 Ｒ＝１−（１−ｒ₁ ² ）｛（１−ｒ₂ ² ）（１−
ｒ₃ ² ）＋Ｒ₆ ｝／Ｒ₇ …………（２） ただし、 Ｒ₆ ＝（１−ｅｘｐ（−２αｄ_MCT ））｛（ｒ₂ ² ＋ｒ
₃ ² ）＋２ｒ₂ ｒ₃ ｃｏｓδ₂ ｝ Ｒ₇ ＝１＋ｒ₁ ² ｒ₂ ² ｅｘｐ（−２αｄ_MCT ）＋ｒ₂
² ｒ₃ ² ＋ｒ₃ ² ｒ₁ ²ｅｘｐ（−２αｄ_MCT ）＋２ｒ
₁ ｒ₂ （１＋ｒ₃ ² ）ｅｘｐ（−αｄ_MCT ）ｃｏｓδ₁
＋２ｒ₂ ｒ₃ （１＋ｒ₁ ² ）ｅｘｐ（−２αｄ_MCT ）ｃ
ｏｓδ₂ ＋２ｒ₃ｒ₁ ｅｘｐ（−αｄ_MCT ）ｃｏｓ（δ
₁ ＋δ₂ ）＋２ｒ₁ ｒ₂ ² ｒ₃ ｅｘｐ（−αｄ_MCT ）ｃ
ｏｓ（δ₁ ＋δ₂ ） δ₁ ＝４πκｎ_MCT ｄ_MCT δ₂ ＝４πκｎ_b ｄ_b 吸収係数αを０、ｍを任意の整数とした場合、式（２）
より反射率Ｒはδ₂ ＝２ｍπのとき振幅が極大、δ₂ ＝
（２ｍ＋１）πのとき振幅が極小となる。よって、バッ
ファー層の膜厚ｄ_b は式（３）より求めることができ
る。 ｄ_b ＝１／（２ｎ_b △κ_b ）…………………………………………………（３） 次に、ＨｇＣｄＴｅ膜の膜厚ｄ_MCT を求める。バッファ
ー層としてはＣｄＴｅもしくはＺｎを４％ほどドープし
たＣｄＺｎＴｅが用いられる場合がほとんどである。こ
のときｎ_MCT 〉ｎ_b となる。また、膜厚もＨｇＣｄＴｅ
膜の方が通常厚いことから、δ₁ はδ₂ より極めて大き
いと仮定するとｄ_MCT は式（４）により求められる。 ｄ_MCT ＝（１−ｎ_b ｄ_b △κ_MCT ）／（２ｎ_MCT △κ_MCT ）……………（４） ここで、振幅Ｂ（吸収係数がα）と振幅Ａ（吸収係数が
０）の比Ｒａ（＝Ｂ／Ａ）は式（５）により表される。 Ｒａ＝Ｒ₁ ² Ｒ₂ ² Ｒ₃ ｅｘｐ（−αｄ_MCT ）／［（１−ｒ₂ ² ）（１−ｒ₃ ² ）Ｒ₄ ² Ｒ₅ ² ］………………………………………………………………（５） ただし、 Ｒ₁ ＝１−ｒ₁ ｒ₂ ＋ｒ₂ ｒ₃ −ｒ₃ ｒ₁ Ｒ₂ ＝１＋ｒ₁ ｒ₂ ＋ｒ₂ ｒ₃ ＋ｒ₃ ｒ₁ Ｒ₃ ＝（１−ｒ₂ ² ）（１−ｒ₃ ² ）＋［１−ｅｘｐ
（−２αｄ_MCT ）］（ｒ₂＋ｒ₃ ）² Ｒ₄ ＝１−ｒ₁ ｒ₂ ｅｘｐ（−αｄ_MCT ）＋ｒ₂ ｒ₃ −
ｒ₃ ｒ₁ ｅｘｐ（−αｄ_MCT ） Ｒ₅ ＝１＋ｒ₁ ｒ₂ ｅｘｐ（−αｄ_MCT ）＋ｒ₂ ｒ₃ ＋
ｒ₃ ｒ₁ ｅｘｐ（−αｄ_MCT ） ここで、赤外反射スペクトルより求めた振幅Ｂおよび振
幅Ａの比Ｒａを式（５）に代入すると波数κ₂ における
吸収係数αが求まる。図３は式（５）より求めたＲａと
αｄ_MCT の関係を示すグラフである。吸収係数α、波数
κ、およびＨｇ_1-x Ｃｄ_x Ｔｅ膜の組成ｘの関係は、組
成のわかった何種類かのＨｇＣｄＴｅ膜の赤外透過スペ
クトルをあらかじめ測定しておくことにより得られる。
また、ジュンハオチュ（Ｊｕｎ ｈａｏ Ｃｈｕ）等に
よりジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊ
ｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ
７１（１９９２）３９５５頁に報告されている関係式を
利用して組成を求めることもできる。図４は４種類の波
数κにおける吸収係数αと組成ｘの関係を示したグラフ
である。

【００１０】なお、バッファー層の無い場合は二番目の
極大振幅は存在しないのでα≠０のところの任意の振幅
をＢとして求めれば良い。

【００１１】

【実施例】次に本発明を図面を用いて説明する。まず第
１の実施例として膜厚測定方法について説明する。

【００１２】図２に示すように、Ｓｉ基板１上にＣｄＴ
ｅのバッファー層２を介して分子線エピタキシー法によ
りＨｇＣｄＴｅ膜を成長する。また、成長時に基板上を
部分的にマスクすることにより、未成長部分、すなわち
バッファー層２のみの領域を形成した。これは膜厚の信
頼性を段差計より評価するためのものである。Ｓｉ基板
１は低抵抗率の基板を用いたため、赤外光に対して不透
明で、赤外透過法による組成の測定はできない。空気、
ＨｇＣｄＴｅ、ＣｄＴｅ、Ｓｉの屈折率はそれぞれ、ｎ
_AIR ＝１．００、ｎ_MCT ＝３．５５、ｎ_b ＝２．６８、
ｎ_si＝３．４４である。屈折率の波数依存性はここでは
考慮されていない。

【００１３】赤外反射スペクトルをフーリエ変換赤外分
光装置により測定した。その結果を図１に示す。測定波
数は４００〜４０００ｃｍ^-1である。本実施例におい
て、図１の赤外反射スペクトルより得られた測定値は次
の通りであった。Ａ＝０．４１２０、κ₁ ＝１０４０ｃ
ｍ^-1、Ｂ＝０．０４６６、κ₂ ＝１７３０ｃｍ^-1、△κ
_MCT ＝１５０ｃｍ^-1、△κ_b ＝６８４ｃｍ^-1。なお、κ
₁ の値は測定波数付近での屈折率は一定と仮定したた
め、本実施例では用いていない。これらの値を式
（３）、（４）に代入して、バッファー層２の膜厚ｄ_b
＝２．７３μｍ、ＨｇＣｄＴｅ膜１の膜厚ｄ_MCT ＝８．
３６μｍを得た。段差計による膜厚値はそれぞれ２．６
μｍ、８．５μｍであり、測定誤差やマスクによる成長
時の分子線の散乱を考慮するとほぼ妥当な値が得られ
た。

【００１４】次に第２の実施例として組成分析方法につ
いて説明する。まず第１の実施例における測定値を用い
振幅Ｂと振幅Ａの比Ｒａ＝０．１１３１を式（５）に代
入し吸収係数αの値として２６０７ｃｍ_-1を得た（αｄ
_MCT ＝２．１８）。この値は図４における波数κ₂ ＝１
７３０ｃｍ^-1においてはＣｄ組成ｘが０．２２９に相当
する。以上の手順によりＨｇ_1-x Ｃｄ_x Ｔｅ膜１のＣｄ
組成値ｘの値を求めることができた。なお、他の元素の
組成値は、化学量論性が成り立つとして一義的に決定す
ることができる。ここで得られた組成値を電子プローブ
微小分析法（ＥＰＭＡ）による組成分析により評価を行
った。その結果、ＨｇＣｄＴｅ膜１のＣｄ組成値ｘは
０．２３０であり、本実施例の方法で得られた値と誤差
の範囲内で一致した。

【００１５】上述した第１及び第２の実施例により求め
られた、膜厚、組成値と他の評価方法により得られた値
を表１に示す。表１より本実施例の信頼性が高いことが
証明される。

【００１６】

【表１】

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように本発明の方法によれ
ば、基板の種類によらずバッファー層付きのＨｇＣｄＴ
ｅ結晶薄膜の膜厚および組成を、非破壊で簡単に測定す
ることができる。このため赤外線検出器の受光波長を精
度良く決めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】バッファー層を介したＨｇＣｄＴｅ膜の赤外反
射スペクトルを示す図。

【図２】実施例に用いた試料の構成を示す断面図。

【図３】Ｒａとαｄ_MCT の関係を示す図。

【図４】４種類の波数κにおける吸収係数αと組成ｘの
関係を示す図。

【符号の説明】

１ ＨｇＣｄＴｅ膜 ２ バッファー層 ３ Ｓｉ基板 ４ 空気

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上にバッファー層を介して成長したＨ
   ｇＣｄＴｅ（ＭＣＴ）結晶薄膜の赤外反射スペクトルに
   よる膜厚測定方法において、ＨｇＣｄＴｅ結晶薄膜の吸
   収係数が０とみなせる波数範囲での最大の振幅が得られ
   る波数κ ₁ 、最大振幅付近でのフリンジの周期△κ
   _MCT 、極小振幅の間隔△κ_B とを求め、バッファー層と
   ＨｇＣｄＴｅ結晶薄膜の波数κ ₁ における屈折率ｎ _B ，
   ｎ _MCT を用いて、バッファー層の膜厚ｄ_B とＨｇＣｄＴ
   ｅ結晶薄膜の膜厚ｄ_MCT を次の二式、 ｄ_B ＝１／（２ｎ_B △κ_B ） ｄ_MCT ＝（１−ｎ_B ｄ_B △κ_MCT ）／（２ｎ_MCT △κ_MCT ） より求めることを特徴とするＨｇＣｄＴｅ結晶薄膜の膜
   厚測定方法。
2. 【請求項２】基板上にバッファ層を介して成長したＨｇ
   ＣｄＴｅ結晶薄膜の膜厚ｄ_MCT を赤外反射スペクトル法
   により求めた後、波数κ ₁ における最大の振幅Ａと、Ｈ
   ｇＣｄＴｅ結晶薄膜の吸収係数がある値を持つ波数範囲
   での極大の振幅Ｂとそこでの波数κ ₂ を求め、振幅Ｂと
   振幅Ａの比Ｒａ（＝Ｂ／Ａ）を求めるための次式、 Ｒａ＝Ｒ₁₂Ｒ₂₂Ｒ₃ｅｘｐ（−αｄ_MCT ）／［(１−
   ｒ₂₂)(１−ｒ₃₂)Ｒ₄₂Ｒ₅₂ ］ ただし、 Ｒ₁ ＝１−ｒ₁ｒ₂＋ｒ₂ｒ₃−ｒ₃ｒ₁ Ｒ₂ ＝１＋ｒ₁ｒ₂＋ｒ₂ｒ₃＋ｒ₃ｒ₁ Ｒ₃ ＝（１−ｒ₂₂）（１−ｒ₃ ²）＋［１−ｅｘｐ（−
   ２αｄ_MCT ）］（ｒ₂＋ｒ₃）² Ｒ₄ ＝１−ｒ₁ｒ₂ｅｘｐ（−αｄ_MCT ）＋ｒ₂ｒ₃−ｒ₃
   ｒ₁ｅｘｐ（−αｄ_MCT ） Ｒ₅ ＝１＋ｒ₁ｒ₂ｅｘｐ（−αｄ_MCT ）＋ｒ₂ｒ₃＋ｒ₃
   ｒ₁ｅｘｐ（−αｄ_MCT ） ｒ₁ ：空気とＨｇＣｄＴｅ結晶界面での反射におけるフ
   レネルの複素反射係数 ｒ₂ ：ＨｇＣｄＴｅの結晶とバッファー層界面での反射
   におけるフレネルの複素反射係数 ｒ₃ ：バッファー層と基板界面での反射におけるフレネ
   ルの複素反射係数 を用いてＨｇＣｄＴｅ結晶薄膜の吸収係数αを求め、次
   でこのαとＨｇ_1-X Ｃｄ_X Ｔｅのｘとの関係線より組成
   ｘを求めることを特徴とするＨｇＣｄＴｅ結晶薄膜の組
   成分析方法。